1976年唐山7.8級地震成因探討

丁學文，高樹義，陳永新

(1.山西省地震局，山西 太原 030002；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

1976年7月28日03:42:54，在河北省唐山市(東經118.0°，北緯39.4°)發生了M7.8強烈地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度11 km。唐山市區遭到毀滅性破壞，建、構筑物倒塌或遭到嚴重破壞，人員傷亡慘重。有感范圍達14個省、市、自治區，其中北京市和天津市受到嚴重影響[1](見圖1)。唐山地區地質以往認識上沒有深、大斷層，以前也沒有發生過破壞性地震[2]。對唐山地震成因眾多學者提出了不同的認識，主要有構造成因[3-13]、地幔成因[14-15]和構造、地幔成因[16-17]三種。唐山地震前出現了大范圍動物、氣溫、地磁、地電、地下水異常和大氣光電、地氣現象，地震后出現了地裂縫、地震斷層、地面鼓起、鐵軌彎曲等現象。如此大幅度的異常是很難用粘滑錯動作出圓滿解釋的[18]，綜合地震前后出現的異常和現象，筆者認為唐山地震是在地幔上隆、地殼厚度變薄的大地構造背景下(見第34頁圖2)，受到NEE-SWW向擠壓，在NNE-NE向唐山斷裂和NW向薊運河斷裂共軛作用下發生錯斷產生的地震。

1 區域大地構造背景

唐山震中區在大地構造上屬于華北地臺遼翼臺向斜北部，北鄰燕山臺褶帶[19](見第34頁圖3)。遼翼臺向斜基底出露太古界遷西群及灤縣群，為一套麻粒巖相及角閃巖相的變質巖系，經早古生代末呂梁運動固結形成。中生代以來，強烈的構造變動在原來比較穩定的地臺上形成新生代斷塊坳陷區，北東向構造為主。新生代沉積物廣泛覆蓋，埋深可達5 000 m。地震區一帶基巖褶皺、斷裂發育，北東向主要斷裂有滄東斷裂、唐山斷裂，另外發育北西向張家口-蓬萊斷裂帶。

圖1 1976年唐山地震等震線[1]Fig.1 Isoseismal line of the 1976 Tangshan earthquake

1.1 滄東斷裂

為滄縣隆起和黃驊凹陷的構造分界線，在重力異常圖上顯示為重力密集梯級帶。斷裂南起山東臨清西南，向東北經德州、河北吳橋、滄州、滄縣、天津以東至河北寧河，全長350 km，總體走向NE30°，傾向SE，由一系列正斷層組成。受斷裂活動的影響，黃驊凹陷區新生代最大厚度可達8 000 m。垂直于滄東斷裂的深、中、淺層地震勘探剖面顯示，斷裂呈鏟狀，錯斷至上地殼，最新活動時代為第四紀中更新世。

圖2 唐山及周圍莫霍面等深線[18]Fig.2 Tangshan and its surrounding Moho contour

圖3 唐山及鄰區大地構造單元分區[19]Fig.3 Geotectonic unit zoning of Tangshan and its adjacent area

1.2 唐山斷裂

介于北西向薊運河斷裂和灤縣-樂亭斷裂之間，總體走向NNE-NE，傾向NW、SE，傾角70°～80°，為逆走滑斷層，長約59 km。由三條平行斷裂組成，主要發育于古生代地層中，并伴有一系列褶皺，為燕山運動時形成。新生代時期，斷裂活動引起地貌變化，形成地貌分界線，垂直差異幅度不到100 m。根據國家地震局地球物理勘探大隊繪制的人工地震剖面，唐山附近地下有一條切穿莫霍面的深部斷裂，其位置與上部斷裂相當。斷裂兩側莫霍面的落差2～3 km，東盤下降，西盤上升。由此得出，唐山斷裂為一條深大斷裂[20]，且具有高角度西傾逆沖走滑性質，晚更新世以來累積垂直錯距達15 m[13]。

1.3 張家口-蓬萊斷裂帶

西起河北張北，向東南經張家口、懷來、寧河至山東省蓬萊、煙臺以北的黃海海域，總體走向N60°W，長700余公里，為一條以正斷為主具有左旋剪切性質的構造帶，沿斷裂帶重力、磁異常明顯，在上地殼組成和結構上有明顯差異，沿線地震活動強烈。斷裂帶由張北-南口段、南口-寧河段、渤海段和蓬萊-煙臺段四段26條斷裂斷續組成，斷裂沿線控制著一系列斷陷盆地。其中薊運河斷裂為南口-寧河段中的一條，走向NW，傾向SW，傾角70°，長度50 km。據人工地震測深資料，斷裂深達莫霍面。斷裂東北盤上升，西南盤下降，第四系底界落差大于100 m，斷裂兩側水系流向顯示為左旋剪切，活動時代為第四紀全新世。

2 震前地震前兆、異?，F象

2.1 動物異常

震前動物異常極其普遍而強烈、分布范圍廣[21-22]。據錢鋼著《唐山大地震》[23]、陳永弟編著的《唐山地震紀實》[24]和地震后由幸存者自述見到的動物宏觀異常，涉及的動物有魚、鼠、黃鼠狼、雞、鴨、鴿子、燕、蝙蝠、豬、狗、貓、羊、兔、鱉、青蛙、海蜇、蝎子、蚰蜒、蚯蚓、螞蟻、蜻蜓。動物異常在時空分布上有一定的特點，時間分布上看，出現在臨震前兩天之內的約占71%，震前兩天以上出現異常的主要是魚、燕、豬、雞、黃鼠狼、蚰蜒、蝴蝶、蝗蟲、蟬、螻蛄、麻雀等；空間分布上，在Ⅶ度以上烈度區內的約占80%，最遠分布于天津大沽口海面Ⅵ度區。歸納動物震前異常特征，表現為水中的魚、海蜇、鱉、青蛙紛紛上浮、翻白、跳躍;地中的鼠、黃鼠狼、蚯蚓爬出、轉移、恐慌；地上的雞、鴨、鴿子、豬、狗、貓、羊、兔不進窩、怪叫、不進食、恐懼不安；地上的燕、蝙蝠、螞蟻、蜻蜓群聚、恐慌、轉移。總之，震前環境的改變和動物生理的變化引起了各種動物異常反應，為地震的成因分析提供一定線索。

2.2 氣象異常

曹新來等[25]、辛寶恒[26]對地震前、后氣象變化、異常進行了詳細分析，研究結果表明，從1975年1月至1976年6月唐山0.8 m地溫為正距平，1975年平均地溫是1957年以來24 a中的最高值，如圖4所示。唐山西北的玉田和東南的柏各莊也有類似的升溫異?，F象。1976年1-6月0.8 m地溫距平等值線升溫幅度最大的位置為玉田、唐山、赤城、固安一帶，總體上形成北東升溫脊和北西升溫圈(見圖5)。唐山相對于外圍4個不同方向標準站80 cm、40 cm地溫差值距平7月以來呈現出穩定的上升趨勢，唐山、昌黎80 cm地溫在震前4 d(23-27日)地溫突升，日變率分別為1.1°和1.2°，24日皆達到峰值狀態，出現了地溫爆發性增溫異?，F象。唐山及周圍0.8 m地溫異常變化不是太陽輻射熱變化所能影響的，而是地殼深處熱源所致。震前6-7月在天津寶坻附近出現平均氣壓距低值中心和唐山豐潤附近高值中心，沿低、高值中心之間為北西向氣壓變化的最大梯度區，與斷裂帶基本吻合。在震中區一帶，幸存者稱臨震前出現了地電、地光、地聲現象，同時聽到有地面風，卻感覺不到，風聲大、風力小。

圖4 唐山0.8 m地溫距平曲線圖[25]Fig.4 Geothermal anomaly curve of 0.8 m in Tangshan

2.3 地下水、氣味、地磁、地電異常

震前，在唐山及周圍地區出現地下水宏觀異常，主要有上升、下降、發渾變色和冒泡發響等四種?？傮w上表現為水位中長期緩慢下降、短期加速下降、臨震回返、震時迅猛上升[27]4個異常階段。臨震前在唐山林西礦區，人們聞到散發著硫磺味的“臭霧”。通過對唐山地震前勝利、大港、遼河3個油田的油井和渤中2井及北京附近部分水井資料研究，表明不同的應力狀態造成不同的油水井異常，前兆異常與孕震具有相關性[28]。

根據解用明等對昌黎、青光、紅山等臺的震前地磁絕對觀測資料的計算、分析，結果表明，三臺站震中距離與地磁變化呈正比關系，震前4-7月，最近的昌黎臺地磁異常明顯，較近的青光臺異常幅度明顯變小，較遠的紅山臺變化不明顯。由此確定震源區有震源體引起的局部磁異常[29]。據延慶縣佛爺頂測雨雷達26-27日連續兩天在京津唐上空的觀測，發現存在奇特的磁場[23]。震前形變電阻率異常明顯，短臨異?？傮w表現為大幅度下降后微速回升，臨震前兩天出現加速下降[30]。

圖5 1975年7-12月唐山及鄰區0.8 m地溫距平等值線[25]Fig.5 Equal value line of geothermal distance of 0.8 m in Tangshan and its adjacent areas from July to December 1975

3 震后地震現象

震后，在震中區出現地裂縫、地震斷層、地面鼓起、鐵軌彎曲等現象，為確定發震構造和探討構造應力場提供了重要依據。唐山7.8級地震后，北起市區勝利路、南至望馬臺，在地表形成長達11 km的地裂縫帶，總體走向NE30°，由NE40°～80°的多組裂縫組成雁行裂縫帶，裂縫帶寬0.7～100 m，右旋扭距最大1.50 m。地裂縫帶兩側落差0.2～0.7 m，東南盤下降。水平錯距、垂直落差中部最大，兩端最小趨于零。NNE-NE向單條裂縫在平面顯示為扭性，垂直方向上為逆沖，裂縫帶屬壓扭性[20]。另外，在29中南北向、勝利路NE20°向、10中N60°W向、韓家街N10°W向、吉祥路N30°～60°W向出現鼓包，鼓包高0.3～0.6 m[16]。地表主破裂帶與唐山斷裂的位置、產狀均一致，顯示了唐山地震深淺構造關系的相關性。

根據唐山7.8級地震的震源機制解，地震破裂為高傾角的右旋走滑錯動，其主壓應力軸為NEE-SWW向，主張應力軸為NNW-SSE向，主應力軸的傾角都不大[18]，與華北地區MS≥6.0地震震源機制解趨于一致。在這樣的應力場中，NNE-NE向的斷層易發生右旋走滑運動，NWW-NW向的斷層易發生左旋走滑運動，NNW向易出現鼓包。

4 地震發震構造成因機制

在河北省城市活斷層探測與地震危險性評價項目(唐山市)中，在唐山地震區進行了深地震反射探測(1)河北省地震局，唐山市地震局.河北省城市活斷層探測與地震危險性評價項目(唐山市)，2011.，如圖6所示。剖面結果表明，唐山斷裂帶是一條規模較大的走滑斷裂，淺部表現為典型的花狀構造，在深部切割和擾動下，出現地殼物質和殼幔過渡帶，這種深淺共存的斷裂構造體系是控制該區地震孕育和發生的重要因素[31]。穿過華北唐山震區的地震記錄截面反映了該區的地殼結構特征，存在下地殼/幔過渡帶，厚約6 km，波速偏低，為6.3～6.5 km/s。地殼厚約32 km，下地殼厚約18 km，在深約6～14 km、7～24 km處出現了速度為6.0 km/s、6.2 km/s的低速層，地殼平均速度約6.1 km/s[32]。唐山地震震源深度為11 km，地震發生在低速層內,地震是深斷裂形變與深部層間滑動相結合的產物[33]。

圖6 唐山深地震反射剖面解釋圖①Fig.6 Interpretation of Tangshan deep seismic reflection profile

震區一帶第四系松散層沉降厚度由北向南逐漸加大，唐山市區為200 m，向南順陡河逐漸加大至800 m以上，反映了唐山斷裂陡河段活動性南強北弱的特征，這與唐山地震余震反映的震源深度南深北淺一致(見圖7、圖8)。圖7為唐山7.8級地震后至1976年12月底余震(M≥4.5)的震中分布，余震區長約140 km，寬約50 km，長軸軸向NE47°，余震分布區與唐山斷裂趨于一致。圖8為平行于長軸方向和在寧河地區垂直于長軸方向余震深度分布圖[20]。余震深度一般分布于5～35 km，位于莫霍界面之上地殼內，震源深度在南端最深，也反映了兩斷裂在地殼深部共軛交匯、孕育，進而產生地震。

圖7 唐山地震余震(M≥4.5)震中及主要構造分布[20]Fig.7 The epicenter and main tectonic distribution of aftershock(M≥4.5) of Tangshan earthquake

圖8 唐山地震部分余震深度分布[20]Fig.8 Distribution of aftershock depth in Tangshan

根據華北地區新生代區域應力場特征，唐山斷裂應為右旋剪切壓性逆斷裂，薊運河斷裂應為張性正斷裂，兩斷裂交匯區為易積累應力的地區。從地震等震線形態看，總體上呈北東向的橢圓狀，等震線皆在西北向外凸出，反映了地震是以唐山斷裂為主、薊運河斷裂為輔的兩斷裂共軛活動引起。除上述發震斷層外，深部構造特征與唐山地震的孕育有關。唐山地震位于以渤海為中心的上地幔高導層隆起區的50 km與北部山前地帶80 km的等深線之間的變化帶上，受上地幔上隆影響，上地殼側向滑動，對唐山地震的孕育起著不可忽視的作用[18]。由重力異常、航磁異常、地殼厚度、斷裂沿線地震分布及人工地震剖面確定，兩斷裂均為規模大的深大斷裂。唐山斷裂的右旋剪切逆傾滑活動受阻于薊運河左旋正斷裂的摩擦阻力，應力閉鎖，當兩斷裂相互活動，應力聚集到一定程度時，應力釋放并伴隨地震的發生。唐山及其附近地區水平應力示意及斷裂性質解譯如圖9所示。

圖9 唐山及鄰區水平應力場示意圖Fig.9 Schematic diagram of horizontal stress field in Tangshan and its adjacent areas

5 結論與討論

(1) 唐山地震發生于遼翼臺向斜北部，震中區位于莫霍面上隆區斜坡地帶，獨特的位置提供了地震發生的大地構造背景。震前動物、磁場、溫度、地電阻率、氣味、地光、地電的異常和震后地裂縫、鼓包等現象共存于統一體中，為震前地幔上拱、巖漿上涌垂直力及地殼巖石摩擦、破裂水平擠壓作用所致。

(2) 受華北地區構造應力場的影響，極震區一帶形成了NNE-NE向的右旋剪切逆斷裂和NW向的左旋剪切正斷裂，唐山右旋剪切逆斷裂與薊運河左旋剪切正斷裂交匯應力閉鎖、釋放，為該地震發生的構造原因。

(3) 地表斷裂規模不大、活動性不強的地區由于其大地構造特征和深大斷裂發育，也會在深部孕育、發生強震，在地表產生地震斷層。